JP2019065344A - 低熱膨張合金 - Google Patents

Abstract

【課題】室温における熱膨張係数がさらに低く、さらに熱間加工性に優れ、鋳造割れ対策を施した低熱膨張合金を提供する。【解決手段】質量％で、Ｃ：０．０４％以下、Ｓｉ：０．５０％以下、Ｍｎ：０．５０％以下、Ｓ：０．０５０％以下、Ｎｉ：３１．０〜３６．０％、Ｃｏ：２．０〜６．５％、Ａｌ：０．０１〜０．２０％、Ｍｇ：０〜０．０５％、Ｃａ：０〜０．０５％、Ｃｅ：０．０２〜０．１０％、及びＬａ：０．０１〜０．１０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物であり、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃｅ、Ｌａの含有量（質量％）［Ｍｎ］、［Ｍｇ］、［Ｃａ］、［Ｃｅ］、［Ｌａ］が０．００４×［Ｍｎ］＋０．４×［Ｍｇ］＋０．６×［Ｃａ］＋０．６×［Ｃｅ］＋０．４×［Ｌａ］＞０．０３を満たし、２５〜１００℃の平均熱膨張係数が１．０×１０-6／℃以下であり、９００℃における引張試験で測定した絞りが５０％以上であることを特徴とする低熱膨張合金。【選択図】なし

Description

本発明は低熱膨張合金に関し、特に、熱間加工性に優れ、さらに鋳造割れ対策を施した低熱膨張合金に関する。

エレクトロニクスや半導体関連機器、レーザー加工機、超精密加工機器の部品材料として、熱的に安定なインバー合金が広く使用されている。

インバー合金は、Ｆｅ−高Ｎｉ合金であり、オーステナイト単相として凝固するので、不純物元素の偏析が大きく、粗大な柱状晶を形成しやすい。このため、鋳鋼品の割れ、インゴットの鋳造割れ、鍛鋼品インゴットの熱間鍛造割れが発生しやすい。

特許文献１は、高強度で、かつ優れた熱間加工性を有していて製造コストが安価な、室温以下での熱膨張係数の低いインバー合金を開示している。特許文献１のインバー合金は、重量割合にてＣ：０．０１５〜０．１０％，Ｓｉ：０．３５％以下，Ｍｎ：１．０％以下，Ｐ：０．０１５％以下，Ｓ：０．００１０％以下，Ｃｒ：０．３％以下，Ｎｉ：３５〜３７％，Ｍｏ：０〜０．５％，Ｖ：０〜０．０５％，Ａｌ：０．０１％以下，Ｎｂ：０．１５％以上１．０％未満，Ｔｉ：０．００３％以下，Ｎ：０．００５％以下、Ｂ：０．０００５〜０．００５％を含有すると共に残部がＦｅ及び不可避的不純物より成ることを特徴とする。

特許文献２は、熱間加工性のすぐれたＦｅ−Ｎｉ合金を開示している。特許文献３のＦｅ−Ｎｉ合金は、重量でＮｉ：３０〜８０％、Ｃ：０．０３％以下、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：１．０％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｃｒ：７．０％以下、Ａｌ：０．１０％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物よりなる合金であって、Ｂ：０．００１〜０．０３％を含有することを特徴とする。

特開平１０−１７９９７号公報 特開昭６０−１５９１５７号公報

前記特許文献に開示されているインバー合金の熱膨張係数、熱間加工性は、近年の要求に対しては、まだ十分とはいえない。また、前述のとおり、インバー合金には、インゴットの鋳造割れが発生しやすいという問題がある。

本発明は、室温における熱膨張係数がさらに低く、さらに熱間加工性に優れ、鋳造割れ対策を施した低熱膨張合金を提供することを課題とする。

本発明者らは、低い熱膨張係数を有し、さらに熱間加工性に優れ、鋳造割れ対策を施し、被削性に優れた低熱膨張合金を得る方法を鋭意検討した。その結果、成分組成を適切な範囲に設定し、溶体化処理を施すことにより、低い熱膨張係数を有し、さらに熱間加工性に優れ、鋳造割れ対策を施した低熱膨張合金が得られることを知見した。

本発明は上記の知見に基づきなされたものであって、その要旨は以下のとおりである。

質量％で、Ｃ：０．０４％以下、Ｓｉ：０．５０％以下、Ｍｎ：０．５０％以下、Ｓ：０．０５０％以下、Ｎｉ：３１．０〜３６．０％、Ｃｏ：２．０〜６．５％、Ａｌ：０．０１〜０．２０％、Ｍｇ：０〜０．０５％、Ｃａ：０〜０．０５％、Ｃｅ：０．０２〜０．１０％、及びＬａ：０．０１〜０．１０％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物であり、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃｅ、Ｌａの含有量（質量％）［Ｍｎ］、［Ｍｇ］、［Ｃａ］、［Ｃｅ］、［Ｌａ］が０．００４×［Ｍｎ］＋０．４×［Ｍｇ］＋０．６×［Ｃａ］＋０．６×［Ｃｅ］＋０．４×［Ｌａ］＞０．０３を満たし、２５〜１００℃の平均熱膨張係数が１．０×１０^-6／℃以下であり、９００℃における引張試験で測定した絞りが５０％以上であることを特徴とする低熱膨張合金。

本発明によれば、低い熱膨張係数を有し、熱間加工性に優れ、鋳造割れ対策を施した低熱膨張合金を得られるので、熱的に安定でありかつ高強度が望まれる部品の素材等に適用できる。

以下、本発明について詳細に説明する。以下、成分組成に関する「％」は特に断りのない限り「質量％」を表すものとする。はじめに、本発明の鋳物の成分組成について説明する。

Ｃは、オーステナイトに固溶し強度の上昇に寄与する。Ｃの含有量が多くなると、熱膨張係数が大きくなる。さらに、延性が低下して、鋳造割れが生じやすくなるので、含有量は０．０４％以下、好ましくは０．０２％以下とする。本発明の低熱膨張合金においては、Ｃは必須の元素ではなく、含有量は０でもよい。

Ｓｉは、脱酸材として添加することができる。Ｓｉ量が０．５％を超えると熱膨張係数が増加するので、Ｓｉ量は０．５％以下、好ましくは０．４％以下とする。本発明の低熱膨張合金においては、Ｓｉは必須の元素ではなく、含有量は０でもよい。

Ｍｎは、脱酸材として添加することができる。また、Ｓと結合することでＳの粒界偏析を抑え、熱間延性を向上させる。Ｍｎの含有量が０．５％を超えても効果が飽和し、コスト高となるので、Ｍｎ量は０．５％以下、好ましくは０．３％以下とする。Ｍｎは必須の元素ではなく、含有量は０でもよい。

Ｓは不純物として鋼に含有されることがある元素である。Ｓが多量に含有されると、熱間加工性が劣化し、さらに鋳造割れが生じやすくなるので、Ｓの含有量は０．０５０％以下とする。Ｓの含有量は０でもよい。

Ｎｉは、熱膨張係数を低下させる、必須の元素である。Ｎｉ量は多すぎても少なすぎても熱膨張係数が十分に小さくならない。熱膨張係数を十分に小さくするために、Ｎｉ量は３１〜３６％、好ましくは３２〜３４％の範囲とする。

Ｃｏは、Ｎｉとの組み合わせにより熱膨張係数の低下に寄与する。所望の熱膨張係数を得るため、Ｃｏの範囲は２．０〜６．５％、好ましくは３．０〜６．０％とする。

Ａｌは、脱酸の目的で添加される。また、強度の低下を抑制させる効果がある。この効果を得るために、Ａｌの含有量を０．０１％以上とする。また、介在物の形成を抑え、鋳造欠陥を少なくし、さらに低い熱膨張係数を得るために、含有量は０．２０％以下、好ましくは０．１０％以下とする。

Ｍｇは、不純物として含有されるＳと結合することでＳの粒界偏析を抑え、熱間延性を向上させる機能を有する。さらに、Ｍｇ酸化物あるいはＭｇ蒸気が接種材としての効果も有する。Ｍｇの含有量が０．０５％を超えると、溶湯の粘性が高められ、また、鋳造欠陥を生じるおそれがあるので、Ｍｇの含有量は０〜０．０５％以下とする。Ｍｇは必須の元素ではなく、含有量は０でもよい。

Ｃａは、Ｓと結びついて硫化物をつくり、熱間加工性の改善や常温の延性改善に役立つ。Ｃａの含有量が０．０５％を超えると、合金の融点を下げて、逆に熱間加工性を低下させるので、Ｃａの含有量は０〜０．０５％以下とする。Ｃａは必須の元素ではなく、含有量は０でもよい。

Ｃｅ、Ｌａは、Ｓと結合することでＳの粒界偏析を抑え、熱間延性を向上させ、さらに、硫化物による靭性の低下を抑制する元素である。この効果を得るために、Ｃｅ、Ｌａの含有量は、それぞれ、０．０２％以上、０．０１％以上とする。含有量が０．１０％を超えると効果が飽和するので、Ｃｅ、Ｌａの含有量は０．１０％以下とする。

成分組成の残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物である。不可避的不純物とは、本発明で規定する成分組成を有する鋼を工業的に製造する際に、原料や製造環境等から不可避的に混入するものをいう。具体的には、０．０２％以下のＰ、Ｏ、Ｎなどが挙げられる。

本発明の低熱膨張合金の成分組成は、さらに、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃｅ、Ｌａの含有量（質量％）を、それぞれ、［Ｍｎ］、［Ｍｇ］、［Ｃａ］、［Ｃｅ］、［Ｌａ］としたときの、０．００４×［Ｍｎ］＋０．４×［Ｍｇ］＋０．６×［Ｃａ］＋０．６×［Ｃｅ］＋０．４×［Ｌａ］＞０．０３を満たす必要がある。

Ｍｎ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃｅ、及びＬａは、上述のとおり、硫化物を生成する元素であり、上式を満たすことにより、Ｓの結晶粒界への偏析が十分に抑制され、熱間加工性を向上させ、鋳造割れを低減することが可能となる。

次に、本発明の低熱膨張合金の製造方法について説明する。

はじめに、鋳造により、所望の成分組成を有する鋳造合金を製造する。鋳造に用いる鋳型や、鋳型への溶鋼の注入装置、注入方法は特に限定されるものではなく、公知の装置、方法を用いればよい。

得られた鋳造合金に直接、あるいは、鍛造後に、溶体化処理を施す。溶体化処理は、合金を６００〜１０００℃、好ましくは７５０〜８５０℃に加熱し、０．５〜５ｈｒ保持した後、急冷する。冷却速度は１０℃／ｍｉｎ以上が好ましく、１００℃／ｍｉｎ以上がより好ましい。溶体化により、鋳造時に析出した析出物が固溶して、延性、靭性が向上する。

溶体化処理の後に、必要に応じて、３００〜３５０℃で１〜５ｈｒ保持し、その後空冷する応力除去焼きなまし等の公知の熱処理を施してもよい。

本発明の低熱膨張合金の優れた熱間加工性は、９００℃における引張試験（グリーブル試験）の結果により評価できる。具体的には、本発明の低熱膨張合金は、９００℃における引張試験で測定された絞りが５０％以上、好ましくは６０％以上、さらに好ましくは７０％以上の特性を有する。

本発明の低熱膨張合金は、２５〜１００℃における平均熱膨張係数が１．０×１０^-6／℃以下となる低い熱膨張係数を有する。

表１、表２に示す成分組成となるように調整した溶湯を鋳型に注湯し鋳鋼品（Ｙブロックとインゴット）を複数製造した。表１、表２中の「ΔＳ」は、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃｅ、Ｌａの含有量（質量％）を、それぞれ、［Ｍｎ］、［Ｍｇ］、［Ｃａ］、［Ｃｅ］、［Ｌａ］としたときの、０．００４×［Ｍｎ］＋０．４×［Ｍｇ］＋０．６×［Ｃａ］＋０．６×［Ｃｅ］＋０．４×［Ｌａ］の値を示す。

Ｙブロックから、２つのサンプルを採取して９００℃で歪速度０．０７〜０．０８ｓ^−１の引張試験を行い、平均値を引張強さ、絞りの測定値とした。同様に、熱膨張係数測定用の試験片を採取し、８３０℃で２ｈｒ保持し、平均冷却速度２００℃／ｍｉｎの溶体化処理、さらに３５０℃で５ｈｒ保持後空冷の応力除去焼きなましを施し、２５〜１００℃の平均熱膨張係数を測定した。

また、インゴットを鋳造した後、鍛練成形比を１５として熱間鍛造を行い、割れの有無で鍛造性を評価し、割れがなかったものを「○」、割れが生じたものを「×」とした。鍛造によって得られた鍛鋼品から、熱膨張係数測定用の試験片を採取し、８３０℃で２ｈｒ保持し、平均冷却速度２００℃／ｍｉｎの溶体化処理、さらに３５０℃で５ｈｒ保持後空冷の応力除去焼きなましを施し、２５〜１００℃の平均熱膨張係数を測定した。
結果を表１、表２に示す

本発明の低熱膨張合金は、熱膨張係数が低く、さらに９００℃で引張試験において、高い絞りを示した。

これに対して比較例では、熱間加工性、熱膨張係数の少なくとも一方で目標の特性が得られなかった。

Claims (1)

1. 質量％で、
   Ｃ ：０．０４％以下、
   Ｓｉ：０．５０％以下、
   Ｍｎ：０．５０％以下、
   Ｓ ：０．０５０％以下、
   Ｎｉ：３１．０〜３６．０％、
   Ｃｏ：２．０〜６．５％、
   Ａｌ：０．０１〜０．２０％、
   Ｍｇ：０〜０．０５％、
   Ｃａ：０〜０．０５％、
   Ｃｅ：０．０２〜０．１０％、及び
   Ｌａ：０．０１〜０．１０％
   を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物であり、
   Ｍｎ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃｅ、Ｌａの含有量（質量％）［Ｍｎ］、［Ｍｇ］、［Ｃａ］、［Ｃｅ］、［Ｌａ］が
   ０．００４×［Ｍｎ］＋０．４×［Ｍｇ］＋０．６×［Ｃａ］＋０．６×［Ｃｅ］
   ＋０．４×［Ｌａ］＞０．０３
   を満たし、
   ２５〜１００℃の平均熱膨張係数が１．０×１０^-6／℃以下であり、
   ９００℃における引張試験で測定した絞りが５０％以上である
   ことを特徴とする低熱膨張合金。